一种网络编码方法及安全网络技术

本发明专利技术公开了一种网络编码方法及安全网络，包括正向传输阶段和/或反向传输阶段；其中，正向传输阶段，信源节点将信息分块发送至信源节点的接入路由器s，路由器s一次传输的信息分块数为ω，每个信息分块包含相应编号，经网络节点处理后，信宿节点从信宿节点的接入路由器d一次收到ω个分块，并根据分块编号恢复原始信息；反向传输阶段，收到信宿节点的请求包后，信宿节点的接入路由器d产生随机数据块并发送，经网络节点处理后，信源节点的接入路由器s收到相应的数据块并得到网络一次传输的最大信息分块数。本发明专利技术可以显著提高数据传输的效率和安全性，不需要预先知道网络拓扑和窃听链路信息，并且克服了随机线性网络编码的概率接收缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种网络编码方法及安全网络
本专利技术涉及信息通信领域，特别是一种网络编码方法及安全网络。
技术介绍
网络编码的思想是将信源消息分为多块并从多条链路同时发出，并允许网络中各节点对收到的信息块进行编码，这种思想在高效利用网络资源的同时也带来安全收益。现有的网络编码技术可分为确定性网络编码和随机网络编码。确定性网络编码需要一个全局节点保存整个网络的拓扑信息，并且为网络中每个节点分配编码矩阵，实际应用较为困难。随机网络编码无需全局节点参与，但需要在数据包前添加全局编码系数以使信宿正确接收，这意味信宿节点有可能无法正确接收，并且系统在多探针窃听攻击下更为脆弱。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种网络编码方法及安全网络，显著提高数据传输的安全性，不需要预先得知网络拓扑和窃听链路信息，并且克服随机线性网络编码的概率接收缺陷。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种网络编码方法，包括正向传输阶段和/或反向传输阶段；其中，正向传输阶段，信源节点将信息分块发送至信源节点的接入路由器s，一次传输的信息分块数为ω，每个信息分块包含相应编号，经网络中间节点处理后，信宿节点从信宿节点的接入路由器d一次收到ω个分块，并根据分块编号恢复原始信息；其中，ω≤ω′，ω′为网络一次传输允许的最大信息分块数；反向传输阶段，收到信宿节点的请求包后，信宿节点的接入路由器d产生随机数据块并发送，经网络节点处理后，接入路由器s收到相应的数据分块，计算出编码矩阵，并将网络一次传输的信息分块数值ω发送给信源节点。本专利技术的方法不需要预先得知网络拓扑和窃听链路信息，并且克服了随机线性网络编码的概率接收缺陷(即信宿节点有可能无法正确接收)，显著提高了网络数据传输的效率和安全性。具体地，本专利技术方案分为以下几种情况：①当网络中的任一节点v是信宿节点的接入路由器d时，所述反向传输阶段具体实现过程包括：S1、节点v从信宿节点收到请求包，确认该请求；S2、生成一个|In(v)|×|In(v)|的矩阵Kv，矩阵Kv中各元素均在有限域GF(2m)中随机选取；其中，m是矩阵元素的二进制位数，即每个元素由m比特组成；|In(v)|为节点v的输入链路集合In(v)的链路总数；S3、将矩阵Kv的每一行按照端口号从相应端口发送；S4、当收到信源节点的接入路由器s传来的位置信息p时，根据p中的ω个位置数据，从Kv中选择对应下标的ω个列向量组成新的矩阵K'v；其中，K'v为一个|In(v)|×ω矩阵。所述正向传输阶段具体实现过程包括：S5、节点v将收到的|In(v)|个数据分块按行组成矩阵X，矩阵X的每个元素都是长度为m的二进制数；其中，|In(v)|为节点v的输入链路集合In(v)的链路总数；S6、在有限域GF(2m)下计算Y＝K'vT·X，其中，K'vT表示矩阵K'v的转置；m是矩阵元素的二进制位数，即每个元素由m比特组成；S7、依次将矩阵Y的每一行作为一个数据分块发送至信宿节点。②当网络中的任一节点v是中间节点时，所述反向传输阶段具体实现过程包括：S1、节点v将从|Out(v)|个端口收到的数据按行组成矩阵X，矩阵X的每个元素都是长度为m的二进制数；其中，|Out(v)|为节点v的输出链路集合Out(v)的链路总数；S2、节点v生成一个|In(v)|×|Out(v)|的矩阵Kv，矩阵Kv中各元素均在有限域GF(2m)中随机选取，之后在有限域GF(2m)下计算Y＝Kv·X；其中，|In(v)|为节点v的输入链路集合In(v)的链路总数；|Out(v)|为节点的输出链路集合Out(v)的链路总数；m是矩阵元素的二进制位数，即每个元素由m比特组成；S3、将矩阵Y的每一行按照端口号从相应端口发送。所述正向传输阶段具体实现过程包括：S4、节点v将从|In(v)|个端口收到的数据分块按行组成矩阵X，矩阵X的每个元素都是长度为m的二进制数；其中，|In(v)|为节点v的输入链路集合In(v)的链路总数；S5、在有限域GF(2m)下计算Y＝KvT·X；其中，KvT表示矩阵Kv的转置；m是矩阵元素的二进制位数，即每个元素由m比特组成；S6、将矩阵Y的每一行按照端口号从相应端口发送。③当网络中的任一节点v是信源节点的接入路由器s时，所述反向传输阶段具体实现过程包括：S1、节点v将从|Out(v)|个端口收到的数据按行组成矩阵X，矩阵X的每个元素都是长度为m的二进制数；其中，|Out(v)|为节点v的输出链路集合Out(v)的链路总数；S2、令网络一次传输允许的最大信息分块数ω′＝rank(X)，利用ω′和X生成矩阵Kv和位置信息p，其中，rank(X)表示矩阵X的秩，等于网络一次传输的最大信息分块数；矩阵Kv的大小为ω×|Out(v)|，ω≤ω′；|Out(v)|为节点v的输出链路集合Out(v)的链路总数；S3、将p传送给信宿节点的接入路由器d，将网络一次传输的信息分块数ω发送给信源节点。所述正向传输阶段具体实现过程包括：S4、节点v将收到的数据分块按行组成矩阵X，矩阵X的每个元素都是长度为m的二进制数；矩阵X的行数为ω，即网络一次传输的信息分块数；S5、在有限域GF(2m)下计算Y＝KvT·X；其中，m是矩阵元素的二进制位数，即每个元素由m比特组成；S6、将矩阵Y的每一行按照端口号从相应端口发送。本专利技术中，信源节点的接入路由器s的编码矩阵Kv和位置信息p的具体计算过程包括：1)初始化一个空位置信息数组p和一个空矩阵T*；2)判断矩阵X的列数是否等于ω′，若等于，则T*＝X，并把所有列位置信息保存在数组p，进入步骤10)；否则，进入步骤3)；3)初始化矩阵T为空矩阵，p*为空位置信息数组；4)令i＝1；5)将X的第i个列向量记为t；6)若rank(T+t)>rank(T)，则需更新矩阵T和位置信息数组p，得到更新后的矩阵T*和更新后的位置信息数组p*，T*＝T+t，p*＝p+i，进入步骤7)；若rank(T+t)＝＝rank(T)，进入步骤9)；其中，二元运算T+t表示在矩阵T的最右边增加列向量t；二元运算p+i表示在位置信息数组最右边增加一个元素i；rank(T)和rank(T+t)分别表示矩阵T和T+t的秩；符号“＝＝”表示逻辑比较；7)若rank(T*)＝＝ω′，则进入步骤10)；否则，进入步骤8)；8)T＝T*，p＝p*；9)i的值加1，并返回步骤5)，直至i大于X的列数；10)从矩阵T*选取ω列或选择矩阵T*的所有列，得到新的矩阵T**和对应的新位置信息数组；11)生成Kv，使其满足Kv·T**＝Iω；其中，Iω为ω阶单位矩阵的值加。上述计算过程简单可靠，实用性强。相应地，本专利技术还提供了一种安全网络，包括信源节点的接入路由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种网络编码方法，其特征在于，包括正向传输阶段和/或反向传输阶段；其中，正向传输阶段，信源节点将信息分块发送至信源节点的接入路由器s，接入路由器s每次传输的信息分块数为ω，每个信息分块包含相应编号，经网络节点处理后，信宿节点从信宿节点的接入路由器d一次收到ω个分块，并根据分块编号恢复原始信息；其中，ω≤ω′，ω′为网络一次传输允许的最大信息分块数；/n反向传输阶段，收到信宿节点的请求包后，信宿节点的接入路由器d产生随机数据块并发送，经网络节点处理后，信源节点的接入路由器s收到相应的数据分块，并得到网络一次传输的信息分块数ω，发送给信源节点。/n

【技术特征摘要】
1.一种网络编码方法，其特征在于，包括正向传输阶段和/或反向传输阶段；其中，正向传输阶段，信源节点将信息分块发送至信源节点的接入路由器s，接入路由器s每次传输的信息分块数为ω，每个信息分块包含相应编号，经网络节点处理后，信宿节点从信宿节点的接入路由器d一次收到ω个分块，并根据分块编号恢复原始信息；其中，ω≤ω′，ω′为网络一次传输允许的最大信息分块数；
反向传输阶段，收到信宿节点的请求包后，信宿节点的接入路由器d产生随机数据块并发送，经网络节点处理后，信源节点的接入路由器s收到相应的数据分块，并得到网络一次传输的信息分块数ω，发送给信源节点。


2.根据权利要求1所述的网络编码方法，其特征在于，当网络中的任一节点v是信宿节点的接入路由器d时，所述反向传输阶段具体实现过程包括：
S1、节点v从信宿节点收到请求包，确认该请求；
S2、生成一个|In(v)|×|In(v)|的矩阵Kv，矩阵Kv中各元素均在有限域GF(2m)中随机选取；其中，m是矩阵元素的二进制位数，即每个元素由m比特组成；|In(v)|为节点v的输入链路集合In(v)的链路总数；
S3、将矩阵Kv的每一行按照端口号从相应端口发送；
S4、当收到信源节点的接入路由器s传来的位置信息p时，根据p中的ω个位置数据，从Kv中选择对应下标的ω个列向量组成新的矩阵K'v；其中，K'v为一个|In(v)|×ω矩阵。


3.根据权利要求2所述的网络编码方法，其特征在于，所述正向传输阶段具体实现过程包括：
S5、节点v将收到的|In(v)|个数据分块按行组成矩阵X，矩阵X的每个元素都是长度为m的二进制数；其中，|In(v)|为节点v的输入链路集合In(v)的链路总数；
S6、在有限域GF(2m)下计算Y＝K'vT·X，其中，K'vT表示矩阵K'v的转置；
m是矩阵元素的二进制位数，即每个元素由m比特组成；
S7、依次将矩阵Y的每一行作为一个数据分块发送至信宿节点。


4.根据权利要求1所述的网络编码方法，其特征在于，当网络中的任一节点v是中间节点时，所述反向传输阶段具体实现过程包括：
S1、节点v将从|Out(v)|个端口收到的数据按行组成矩阵X，矩阵X的每个元素都是长度为m的二进制数；其中，|Out(v)|为节点v的输出链路集合Out(v)的链路总数；
S2、节点v生成一个|In(v)|×|Out(v)|的矩阵Kv，矩阵Kv中各元素均在有限域GF(2m)中随机选取，之后在有限域GF(2m)下计算Y＝Kv·X；其中，|In(v)|为节点v的输入链路集合In(v)的链路总数；|Out(v)|为节点的输出链路集合Out(v)的链路总数；m是矩阵元素的二进制位数，即每个元素由m比特组成；
S3、将矩阵Y的每一行按照端口号从相应端口发送。


5.根据权利要求4所述的网络编码方法，其特征在于，所述正向传输阶段具体实现过程包括：
S4、节点v将从|In(v)|个端口收到的数据分块按行组成矩阵X，矩阵X的每个元素都是长度为m的二进制数；
其中，|In(v)|为节点v的输入链路集合In(v)的链路总数；
S5、在有限域GF...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍仁勇，伍清源，马洁明，
申请(专利权)人：伍仁勇，
类型：发明
国别省市：湖南;43